A 292

Probabilistische Lebensdauerbewertung von Hochtemperaturbauteilen unter Kriechermüdung

Probabilistische Lebensdauerbewertung von Hochtemperaturbauteilen unter Kriechermüdung 

(A 292 S24/10217/14)

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Januar 2015 – 30. Juni 2018

Ziel des Vorhabens war es, bereits etablierte Methoden zur Lebensdauerbewertung unter Kriechermüdungsbeanspruchung mit geeigneten probabilistischen Methoden zu verbinden, um so sowohl Einflussgrößen auf die Lebensdauer als auch dazugehörige Anrisswahrscheinlichkeiten bei Design- und Lebensdauer-untersuchungen hochtemperaturbeanspruchter Kraftwerksbauteile bestimmen zu können. Hierbei standen vornehmlich klassische akkumulative Lebensdauerbewertungsmethoden im Vordergrund.  Es wurden die experimentellen Ergebnisse eines 1%-Cr Schmiedestahls (30CrMoNiV5-11), eines 10%-Cr Schmiedestahls (X12CrMoWVNbN10-1-1) sowie eines 9%-Cr Stahlgusswerkstoffs (GX12CrMoVNbN9-1) unter Anwendung probabilistischer Methoden untersucht. Dies betrifft im speziellen das Zeitstandverhalten und alle verfügbaren niederzyklische Versuche. Als akkumulatives Lebensdauermodell zur Bewertung der Kriechermüdungswechselwirkung kam die verallgemeinerte Schadens-akkumulationshypothese zur Anwendung. Diese besteht aus einer Kriechschädigungsbewertung sowie aus einer Ermüdungsschädigungsbewertung basierend auf Manson-Coffin-Basquin-Kennlinien und der Miner-Regel. Die hierfür notwendige Zeitstandmodellierung erfolgte mit dem Wilshire-Scharning-Modell unter Anwendung der linearen Regressionsanalyse und der Maximum-Likelihood-Methode zur Bewertung laufender und vorzeitig ausgebauter Zeitstandversuche. Die Modellierung der Anrisskennlinien erfolgte mit einer eigens temperaturmodifizierten Manson-Coffin-Basquin-Gleichung. Mit Hilfe der seitens der Industrie zu Verfügung gestellten Daten wurde in Anlehnung an den betriebsähnlichen Dampfturbinenzyklus eine probabilistische Modifikation erarbeitet. Zur probabilistischen Lebensdauerbewertung kam hier die Zuverlässigkeitsmethode FORM zur Anwendung. Zusammen mit den Unsicherheiten auf der Beanspruchbarkeitsseite wurde eine Zuverlässigkeitsbetrachtung mit anschließender Sensitivitätsstudie durchgeführt.

Die Modellgleichungen des akkumulative Lebensdauermodells konnten um statistische Größen erweitert und das gesamte Bewertungsverfahren mit Zuverlässigkeitsmethoden gekoppelt werden. Dies ermöglicht nun eine effiziente und robuste Bestimmung der Anrisswahrscheinlichkeiten bei vorgegebenen, schematisierten Lastfällen. Das Verfahren wurde anhand von vorhandenen Werkstoffdaten des 1%-Cr Schmiedestahls validiert. Dabei konnte auch die Notwendigkeit von Verbesserungen des Lebensdauermodells aufgezeigt werden. Bezüglich der Modellvalidierung erfolgte die Umsetzung erster konzeptioneller Ansätze zum Umgang mit Grenzausfallwahrscheinlichkeiten bei einer stark eingegrenzten Datenbasis sowie zur Definition des Lebensdauerendes und erweiterten Messung der Schädigungsentwicklung während der Versuchsdurchführung. 

Forschungsstelle:                              

Institut für Werkstoffkunde, TU Darmstadt

Forschungsleiter:                              

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner                                                     

vorgelegt von: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) 

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. 

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF